DE60123816T2

DE60123816T2 - Umkehrbare dampfverdichtungsanordnung

Info

Publication number: DE60123816T2
Application number: DE60123816T
Authority: DE
Inventors: Kare Aflekt; Einar Brendeng; Armin Hafner; Petter Neksa; Jostein Pettersen; Havard Rekstad; Geir Skaugen; Reza Gholam ZAKERI
Original assignee: Sinvent AS
Current assignee: Sinvent AS
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-09-01
Also published as: JP2004507706A; AU2001286334B2; PL362022A1; CN1313783C; BR0113684A; NO20005576D0; US7185506B2; CA2420974A1; EP1315937A1; KR20030041984A; WO2002018848A1; ES2273880T3; DK1315937T3; DE60123816D1; AU8633401A; EP1315937B1; KR100798712B1; BR0113684B1; MXPA03001819A; CN1468356A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme zur Dampfverdichtung wie Kältetechnik, Klimaanlage, Wärmepumpensysteme und/oder eine Kombination davon, wobei diese unter transkritischen oder unterkritischen Bedingungen betrieben werden und ein Kühlmittel benutzen, insbesondere Kohlendioxid, und speziell, aber nicht beschränkt auf, ein Gerät, das als umkehrbares Kühl-/Wärmepumpensystem arbeitet.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein nicht umkehrbares System zur Dampfverdichtung setzt sich in seiner grundlegenden Form aus einem Hauptstromkreis mit einem Verdichter 1, einem Wärmeabweiser 2, einem Wärmeabsorber 3 und einer Expansionsvorrichtung 6 zusammen, wie in 1 dargestellt. Dieses System arbeitet entweder im Wärmemodus oder im Kühlmodus. Um dieses System umkehrbar zu machen, d.h. das Ermöglichen seiner Benutzung sowohl als Wärmepumpe als auch als Kühlsystem, benutzt der Stand der Technik verschiedene Veränderungen in der Systemgestaltung und den Zusatz von neuen Komponenten zu dem Stromkreis, um diese Aufgabe zu erfüllen. Im Folgenden wird der Stand der Technik und dessen Nachteile beschrieben.
Das am herkömmlichsten benutzte System umfasst einen Verdichter, ein Ventil zur Stromumkehrung, einen inneren Wärmeaustauscher, einen internen Wärmeaustauscher, zwei Drosselventile, zwei Rückschlagventile, einen äußeren Wärmeaustauscher und einen Empfänger/Akkumulator für Niederdruck, wie in 2 dargestellt. Die Umkehrung wird durch ein Ventil zur Stromumkehrung, zwei Rückschlagventile und zwei Drosselventile durchgeführt. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass zwei Drosselventile benutzt werden und die Tatsache, dass der interne Wärmeaustauscher sowohl im Wärmemodus als auch im Kühlmodus parallel geschaltet ist, wobei dies nicht vorteilhaft ist. Zudem ist die Lösung nur wenig flexibel und kann in Systemen mit einem Empfänger für mittleren Druck nicht wirksam genutzt werden.
EP 0604417 B1 und WO90/07683 offenbaren eine transkritische Kreisvorrichtung zur Dampfverdichtung und Verfahren zum Regulieren der überkritischen Druckseite. Das offenbarte System umfasst einen Verdichter, Gaskühler (Kondensierer), einen internen Gegenstrom-Wärmeaustauscher, einen Verdampfer und einen Empfänger/Akkumulator. Die Steuerung des Hochdrucks wird durch Variieren des Kühlmittelbestands in dem Empfänger/Akkumulator erreicht. Eine Drosselvorrichtung zwischen dem Hochdruckablass und dem internen Gegenstrom-Wärmeaustauscher und Verdampfereinlass wird als Steuermittel angewendet. Diese Lösung kann sowohl im Wärmepumpenmodus als auch im Kühlmodus benutzt werden.
GB-A-219 4320 beschreibt ein umkehrbares System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zudem beschreibt DE 19806654 ein umkehrbares Wärmepumpensystem für motorbetriebene Fahrzeuge, das durch einen internen Verbrennungsmotor angetrieben wird, wobei das Motorkühlsystem als Wärmequelle genutzt wird. Das offenbarte System benutzt einen Empfänger für mittleren Druck mit von unten zugeführter Schnellverdampfung von Hochdruckkühlmittel im Betriebsmodus Wärmepumpen, was nicht ideal ist.
Ferner offenbart DE 19813674 C1 ein umkehrbares Wärmepumpensystem zur Klimatisierung von Luft in Automobilen, wobei Abgas aus dem Motor als Wärmequelle genutzt wird. Der Nachteil dieses Systems ist die Möglichkeit der Ölzersetzung im Wärmeaustauscher zur Rückgewinnung von Abgaswärme (bei Nichtgebrauch), da die Temperatur des Abgases relativ hoch ist.
Des Weiteren offenbart US 5890370 ein einstufiges, umkehrbares, transkritisches System zur Dampfverdichtung durch Benutzung von einer Umkehrvorrichtung und eines speziell ausgebildeten, umkehrbaren Drosselventils, das in beide Stromrichtungen betätigt werden kann. Der Hauptnachteil des Systems liegt in der komplexen Steuerungsstrategie, die durch das speziell ausgebildete Drosselventil erforderlich ist. Zudem kann es im derzeitigen Stand lediglich für Einphasensysteme angewendet werden.
In einem noch weiteren Patent, US 5473906 , wird eine Klimaanlage für ein Fahrzeug offenbart, in dem das System zwei oder mehr Umkehrvorrichtungen zur Umkehrung des Systembetriebs vom Wärmemodus zum Kühlmodus benutzt. Zudem weist das patentierte System zwei innere Wärmeaustauscher auf. Im Vergleich zu der vorliegenden Erfindung und in einer vorgeschlagenen Ausführungsform des genannten Patents ist die Anordnung dergestalt, dass der innere Wärmeaustauscher zwischen dem Drosselventil und der zweiten Umkehrvorrichtung angeordnet ist. Der Hauptnachteil dieser Anordnung ist, dass der Dampf im Niederdruck von dem Auslass des inneren Wärmeaustauschers durch die zweite Umkehrvorrichtung strömen muss, was zu einem zusätzlichen Druckabfall des Niederdruckkühlmittels (Ansauggases) im Kühlmodus führt. Im Wärmemodus erleidet das System ferner einen Hochdruckabfall auf der Seite der Wärmeabweisung des Systems, weil das Abgas durch zwei Umkehrvorrichtungen strömen muss, bevor es abgekühlt wird. In noch einer weiteren Ausführungsform des genannten Patents wird der gleiche innere Wärmeaustauscher zwischen der ersten Umkehrvorrichtung und dem Verdichter angeordnet. Diese Ausführungsform führt erneut zu einem Hochdruckabfall auf der Seite der Wärmeabweisung beim Betrieb im Wärmemodus. In noch einer weiteren Ausführungsform steht der Verdichter in direkter Verbindung mit den zwei Vierwegeventilen. Auch diese Ausführungsform führt zu einem zusätzlichen Druckabfall des Niederdruckkühlmittels (Ansauggases) im Kühlmodus, da das angesaugte Gas durch die zwei Vierwegeventile strömen muss, bevor es in den Verdichter gelangt. Im Wärmemodus unterliegt es ebenfalls einem höheren Druckabfall. Zudem ist die Anordnung des Empfängers hinter dem Kondensierer in den vorgeschlagenen Ausführungsformen derart, dass der Empfänger nur in einem herkömmlichen System mit Kondensierer und Wärmeaustauscher zur Verdampfung benutzt werden kann und als solcher nicht für den transkritischen Betrieb geeignet ist, da der in Phasen unterteilte Druckempfänger keinerlei Funktion beim transkritischen Betrieb erfüllt. Ein weiterer allgemeiner Nachteil des Systems ist, dass das Patent keine Ausführungsformen für eine andere Anwendung bereitstellt, wie z.B. ein einfaches und einheitliches System, Zweiphasen-Verdichtung, die kombinierte Erwärmung oder Abkühlung von Wasser, wie dies die vorliegende Erfindung tut, da das Patent ausschließlich für die Klimatisierung eines Fahrzeuges erdacht war.
Im Hinblick auf den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich US-Re030433 auf einen Kondensier- und Verdampfbetrieb des Wärmeaustauschers, wobei die vorliegende Anwendung den Betrieb zur Verdampfung und Kühlung von Gas betrifft. Im letzten Fall ist das Kühlmittel eine einphasige Flüssigkeit und die Kondensiertrocknung kein Sachverhalt. Bei einem Gaskühler ist der Zweck oftmals das Erwärmen des Luftstroms in einem bestimmten Temperaturbereich, wobei dies nicht geschehen kann, wenn die Abschnitte des Wärmeaustauschers auf der Luftseite parallel geschaltet sind. Daher ist die Gestaltung des Stromkreises bei Gaskühlern unterschiedlich zu der eines Wärmeaustauschers, der als Kondensierer dienen muss. In der vorliegenden Anwendung strömt Luft immer in Sequenzen durch die Abschnitte des Wärmeaustauschers, während bei der Erfindung aus US-Re030433 die Luft parallel durch alle „Wärmetransferbereiche" strömt.
In einem anderen Patent, dem US-Re030745, wird ein umkehrbarer Wärmeaustauscher offenbart, der viele Ähnlichkeiten zu dem oben beschriebenen (US-Re030433) aufweist, einschließlich der Tatsache, dass der Betrieb auf den Verdampfmodus und den Kondensiermodus beschränkt ist. Auch in diesem Fall strömt die Luft parallel durch alle Abschnitte. Ein weiterer wichtiger Unterschied ist, dass das Patent einen Wärmeaustauscher beschreibt, in dem alle Abschnitte während der Verdampfung auf der Kühlmittelseite parallel geschaltet sind. In der vorliegenden Anwendung strömt das Kühlmittel im Allgemeinen in Sequenzen auch im Verdampfmodus durch den Wärmeaustauscher.
Im Wesentlichen beschreibt die vorliegende Anwendung einen umkehrbaren Wärmeaustauscher, der als Heizer in einem Modus – durch Kühlung von überkritisch gepresstem Kühlmittel und der Erwärmung von Luft – und als Verdampfer in einem anderen Modus dient, wobei in beiden Fällen Kühlmittel und Luft in Sequenzen durch die Abschnitte strömen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass im Gaskühlbetrieb das Kühlmittel in Sequenzen durch alle Abschnitte und gegen den Luftstrom strömt, während im Verdampfbetrieb zwei und zwei Abschnitte parallel geschaltet sind.
Diese Aspekte werden von keinem der beiden Patente abgedeckt und keines der oben beschriebenen Patente würde zu den gewünschten Zwecken im Gaskühlbetrieb dienen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst die Nachteile der vorgenannten Systeme, indem sie ein neues, verbessertes, einfaches und wirksames Umkehrmittel in einem umkehrbaren System zur Dampfverdichtung bereitstellt, ohne die Wirksamkeit des Systems zu beeinträchtigen. Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromkreis, der einen inneren und einen äußeren Wärmeaustauscher umfasst, mit einem ersten Unterstromkreis, der einen Verdichter aufweist, und einem zweiten Unterstromkreis in Verbindung steht, der eine Expansionsvorrichtung durch die erste und die zweite Vorrichtung zur Stromumkehrung umfasst, wie im Oberbegriff des beiliegenden, unabhängigen Anspruchs 1 definiert ist.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 28 definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung kann, ist aber nicht beschränkt auf, die unbewegliche oder mobile Klimaanlagen-/Wärmepumpeneinheiten und Kühlgeräte/Tiefkühlgeräte sein. Insbesondere kann die Vorrichtung für Raumklimaanlagen und Wärmepumpensysteme benutzt werden, und für Klimaanlagen-/Wärmepumpensysteme in Automobilen mit einem internen Verbrennungsmotor oder für elektrische oder hybridbetriebene Fahrzeuge.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
Die Erfindung wird mit Hilfe von Beispielen und in Bezug auf die folgenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines nicht umkehrbaren Systems zur Dampfverdichtung.
2 eine schematische Darstellung der bekanntesten Stromkreisschaltung des Systems, die für ein umkehrbares Wärmepumpensystem angewendet wird.
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
7 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
8 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
9 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
10 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
11 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
12 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
13 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
14 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
15 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
16 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
17 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
18 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
19 eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
20 eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
21 eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
22 eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
23 eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
24 eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
25 eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
26 eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
27 eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform im Wärmepumpenmodusbetrieb.
28 eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
29 eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
30 eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
31 eine schematische Darstellung einer fünfzehnten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
32 eine schematische Darstellung einer fünfzehnten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
33 eine schematische Darstellung einer sechzehnten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
34 eine schematische Darstellung einer sechzehnten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
35 eine schematische Darstellung einer siebzehnten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
36 eine schematische Darstellung einer siebzehnten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
37 eine schematische Darstellung einer achtzehnten Ausführungsform im Wärmemodusbetrieb.
38 eine schematische Darstellung einer achtzehnten Ausführungsform im Kühlmodusbetrieb.
39 bis 46 zeigen schematische Darstellungen eines Wärmeaustauschers für ein umkehrbares System zur Dampfverdichtung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Erster Aspekt der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung eines nicht umkehrbaren Systems zur Dampfverdichtung, umfassend einen Verdichter 1, Wärmeaustauscher 2, 3 und eine Expansionsvorrichtung 6.
2 ist, wie oben angeführt, eine schematische Darstellung eines der herkömmlichsten Systems zur Dampfverdichtung für ein umkehrbares Wärmepumpensystem. Die Komponenten dieses bekannten Systems werden in der Figur gekennzeichnet. Der Moduswechsel wird durch Benutzen von zwei verschiedenen Expansionsventilen mit Rückschlagventilen zur Umgehung davon und einem Vierwegeventil erreicht.
Erste Ausführungsform der Erfindung.
Die erste (grundlegende) Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen einphasigen, umkehrbaren Kreislauf zur Dampfverdichtung wird schematisch in 3 im Wärmemodus bzw. in 4 im Kühlbetrieb dargestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das System, wie das bekannte System, einen Verdichter 1, einen inneren Wärmeaustauscher 2, eine Expansionsvorrichtung 6 (z.B. ein Drosselventil) und einen äußerer Wärmeaustauscher 3. Es versteht sich, dass das gesamte System die Verbindungsleitungen enthält, um einen vollständig geschlossenen Hauptstromkreis zu bilden, in dem ein Kühlmittel in Umlauf gebracht wird. Die erfinderischen Merkmale der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Verwendung von zwei Unterstromkreisen, einem ersten Stromkreis A und einem zweiten Stromkreis B, die jeweils an dem Hauptstromkreis durch eine erste 4 und ein zweite 5 Vorrichtung zur Stromumkehrung angeschlossen sind, was z.B. in Form eines Vierwegeventils geschehen kann. Der Verdichter 1 und die Expansionsvorrichtung 6 werden in dem ersten Unterstromkreis A bzw. in dem zweiten Unterstromkreis B bereitgestellt, wobei der innere Wärmeaustauscher 2 und der äußere Wärmeaustauscher 3 in dem Hauptstromkreis bereitgestellt werden, der mit den Unterstromkreisen durch erste und zweite Vorrichtungen zur Stromumkehrung verbunden ist. Die grundlegende Ausführungsform (die den Aufbaublock von anderen abgeleiteten Ausführungsformen dieses Patents bildet) wird bei minimalem Druckabfall sowohl im Wärme- als auch im Kühlmodus betrieben und beeinträchtigt aus diesem Grund die Wirksamkeit des Systems nicht. Zudem kann die Erfindung leicht neue Komponenten zum Bereitstellen neuer Ausführungsformen umfassen, und damit ihre Anwendbarkeit erweitern und einen weitgesteckten Bereich von Anwendungen umkehrbarer Kühl- und Wärmepumpensysteme umfassen, wie dokumentiert. Diese Ausführungsform und die daraus resultierenden abgeleiteten Ausführungsformen ohne Empfänger/Akkumulator für Niederdruck haben den Vorteil, dass kein Bedarf an einer zusätzlichen Ölrückführ-Verwaltung besteht. Die Umkehrung des Prozesses vom Kühlmodusbetrieb in den Wärmemodusbetrieb wird einfach und wirksam durch zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 durchgeführt, welche den Hauptstromkreis mit dem Unterstromkreis A bzw. dem Unterstromkreis B verbinden. Das Betriebsprinzip ist Folgendes:
Wärmepumpenbetrieb:
In Bezug auf 3 sind die Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 in der Wärmemodusposition, damit der äußere Wärmeaustauscher 3 als Verdampfer und der innere Wärmeaustauscher als Gaskühler (Kondensierer) betätigt werden kann. Das zirkulierende Kühlmittel verdampft durch Absorbieren von Wärme aus der Wärmequelle im äußeren Wärmeaustauscher 3. Der Dampf strömt durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 4, bevor er von dem Verdichter 1 abgeleitet wird. Der Druck und die Temperatur des Dampfes werden durch den Verdichter 1 erhöht, bevor dieser durch Durchströmen der Vorrichtung zur Stromumkehr 4 in den inneren Wärmeaustauscher 2 eintritt. In Abhängigkeit von dem Druck wird der Kühlmitteldampf entweder kondensiert (bei unterkritischem Druck) oder gekühlt (bei überkritischem Druck), indem Wärme durch den Kühlkörper abgeben wird (Innenluft im Fall eines Lufsystems). Das Hochdruckkühlmittel strömt dann durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 5, bevor der Druck durch die Expansionsvorrichtung 6 auf den Verdampfdruck reduziert wird. Das Kühlmittel strömt durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 5, bevor es in den äußeren Wärmeaustauscher 3 eintritt und so den Kreis schließt.
Kühlmodusbetrieb:
In Bezug auf 4 sind die Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 in der Kühlmodusposition, damit der innere Wärmeaustauscher 2 als Verdampfer und der äußere Wärmeaustauscher 3 als Gaskühler (Kondensierer) arbeiten können. Das zirkulierende Kühlmittel verdampft durch Absorbieren von Wärme aus dem inneren Kühlmittel im inneren Wärmeaustauscher 2. Der Dampf strömt durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 4, bevor er von dem Verdichter 1 angesaugt wird. Der Druck und die Temperatur des Dampfes werden durch den Verdichter 1 erhöht, bevor er durch Durchströmen der Vorrichtung zur Stromumkehr 4 in den äußeren Wärmeaustauscher 3 eintritt. In Abhängigkeit von dem Druck wird der Kühlmitteldampf entweder kondensiert (bei unterkritischem Druck) oder gekühlt (bei überkritischem Druck), indem die Wärme an den Kühlkörper abgegeben wird. Das Hochdruckkühlmittel strömt dann durch die Vorrichtung zur Stromumkehrung 5, bevor der Druck durch die Expansionsvorrichtung 6 auf den Verdampfdruck reduziert wird. Das Niederdruckkühlmittel strömt durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 5, bevor es in den inneren Wärmeaustauscher 2 eintritt und so den Kreis schließt.
Der Hauptvorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass lediglich eine minimale Anzahl an Komponenten und ein einfaches Betriebs- und Steuerungsprinzip erforderlich sind. Andererseits können durch das Nichtvorhandensein eines Empfängers/Akkumulators die Energieausnutzung und die allgemeine Systemleistung auf Variationen der Kühl- bzw. Wärmelast und mögliche Kühlmittelleckagen reagieren.
Zweite Ausführungsform
5 und 6 zeigen schematische Darstellungen der zweiten Ausführungsform im Wärmemodus- bzw. im Kühlmodusbetrieb. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform weist diese eine zusätzliche Stromringleitung C auf, die einen Trocknungswärmeaustauscher 25, eine Expansionsvorrichtung 23 und ein Ventil 24 umfasst. Der Wärmeaustauscher 25 weist im Wärmemodusbetrieb eine Trocknungsfunktion auf und arbeitet im Kühlmodus als gewöhnlicher Verdampfer. Im Wärmemodus wird ein Teil des Hochdruckkühlmittels nach der Umkehrvorrichtung 5 durch die Expansionsvorrichtung 23 geleitet, wobei der Kühlmitteldruck in diesem Wärmeaustauscher auf den Verdampfdruck reduziert wird. Das Kühlmittel wird dann durch Absorbieren von Wärme im Wärmeaustauscher 25 vor dem Durchströmen durch das Ventil 24 verdampft. Auf diese Weise durchströmt die Innenluft vor der erneuten Erhitzung durch den inneren Wärmeaustauscher 2 und durch den Trocknungswärmeaustauscher 25, wodurch trockenere Luft in den Innenraum zum Befreien von beschlagenen Elementen gelangt, wie z.B. die Windschutzscheibe in einem mobilen Klimaanlagensystem. Im Kühlmodus stellt der Wärmeaustauscher 25 einen zusätzlichen Wärmetransferbereich zum Kühlen der Innenluft bereit. Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Dritte Ausführungsform
7 und 8 zeigen schematische Darstellungen der dritten Ausführungsform im Wärmemodus- bzw. im Kühlmodusbetrieb. Im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform ist die Anordnung der Stromringleitung C bezüglich des Hauptstromkreises derart gestaltet, dass der Trocknungswärmeaustauscher 25 und der innere Wärmeaustauscher 2 im Kühlmodusbetrieb durch Bereitstellen zusätzlicher Vorrichtungen zur Stromumkehr 26 und 26' (z.B. Rückschlagventile) hintereinander geschaltet sind, im Gegensatz zu der zweiten Ausführungsform, in der die Wärmeaustauscher in Paaren unabhängig vom Betriebsmodus parallel geschaltet sind. Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Vierte Ausführungsform der Erfindung.
Diese ist eine Verbesserung der ersten Ausführungsform und wird schematisch in 9 im Wärmemodus bzw. in 10 im Kühlmodus dargestellt. Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Verdichter 1, einen Unterstromkreis mit einer Vorrichtung zur Stromumkehr 4, einen inneren Wärmeaustauscher 2 und einen äußeren Wärmeaustauscher 3. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform besteht darin, dass der zweite Unterstromkreis B mit der Vorrichtung zur Stromumkehr 5 durch einen Unterstromkreis ersetzt wird, der drei miteinander verbundene Schaltzweige B1, B2, B3 umfasst, die durch Expansionsvorrichtungen zur Stormableitung 16' und 17' mit dem Hauptstromkreis verbunden sind. Die Umkehrung des Prozesses vom Kühlmodusbetrieb in den Wärmemodusbetrieb wird einfach und wirksam durch zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 und zwei Expansionsvorrichtungen zur Stromableitung 16' und 17' durchgeführt. Das Betriebsprinzip ist Folgendes:
Wärmepumpenbetrieb:
In Bezug auf 9 befinden sich die Vorrichtung zur Stromumkehr 4 und die Expansionsvorrichtungen zur Stromableitung 16' und 17' in der Wärmemodusposition, damit der äußere Wärmeaustauscher 3 als Verdampfer und der innere Wärmeaustauscher als Gaskühler (Kondensierer) arbeiten können. Das zirkulierende Kühlmittel verdampft durch Absorbieren von Wärme aus der Wärmequelle im äußeren Wärmeaustauscher 3. Der Dampf strömt durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 4, bevor er von dem Verdichter 1 angesaugt wird. Der Druck und die Temperatur des Dampfes werden durch den Verdichter 1 erhöht, bevor dieser durch Durchströmen der Vorrichtung zur Stromumkehr 4 in den inneren Wärmeaustauscher 2 eintritt. In Abhängigkeit von dem Druck wird der Kühlmitteldampf entweder kondensiert (bei unterkritischem Druck) oder gekühlt (bei überkritischem Druck), indem die Wärme an den Kühlkörper abgegeben wird. Das Hochdruckkühlmittel strömt durch die erste Expansionsvorrichtung zur Stromableitung 16', bevor sein Druck durch die zweite Expansionsvorrichtung zur Stromableitung 17' auf den Verdampfdruck im inneren Wärmeaustauscher 3 abgesenkt und so der Kreis geschlossen wird.
Kühlmodusbetrieb:
In Bezug auf 10 befinden sich die Vorrichtung zur Stromumkehr 4 und die Expansionsvorrichtungen zur Stromableitung 16' und 17' in der Kühlmodusposition, damit der innere Wärmeaustauscher 2 als Verdampfer und der äußere Wärmeaustauscher 3 als Gaskühler (Kondensierer) arbeiten können. Das zirkulierende Kühlmittel verdampft durch Absorbieren von Wärme aus dem inneren Kühlmittel im inneren Wärmeaustauscher 2. Das Kühlmittel strömt durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 4, bevor es von dem Verdichter 1 abgezogen wird. Der Druck und die Temperatur des Dampfes werden durch den Verdichter 1 erhöht, bevor dieser durch Durchströmen der Vorrichtung zur Stromumkehr 4 in den äußeren Wärmeaustauscher 3 eintritt. In Abhängigkeit von dem Druck wird der Kühlmitteldampf entweder kondensiert (bei unterkritischem Druck) oder gekühlt (bei überkritischem Druck), indem die Wärme an den Kühlkörper abgegeben wird. Das Hochdruckkühlmittel strömt durch die erste Expansionsvorrichtung zur Stromableitung 17', bevor sein Druck durch die zweite Expansionsvorrichtung zur Stromableitung 16' auf den Verdampfdruck auf des äußeren Wärmeaustauschers 2 abgesenkt und so der Kreislauf geschlossen wird.
Fünfte Ausführungsform der Erfindung.
11 und 12 zeigen schematische Darstellungen der fünften Ausführungsform im Wärmemodus- bzw. im Kühlmodusbetrieb. Diese Ausführungsform stellt ein umkehrbares System zur Dampfverdichtung mittels einer Aufwärmfunktion von Leitungswasser dar. Das Leitungswasser wird zunächst durch den Wärmeaustauscher 24 aus dem Unterstromkreis B erhitzt, bevor es durch den zweiten Wärmeaustauscher zur Wassererwärmung 23 in dem Unterstromkreis A auf die gewünschte Temperatur weiter erhitzt wird. Die Wärmelast im Wärmeaustauscher zur Wassererwärmung 23 kann durch Variieren der Wasserflussrate im Wärmeaustauscher 23 oder durch eine Anordnung zur Umgehung auf der Kühlmittelseite des Wärmeaustauschers reguliert werden.
Sechste Ausführungsform der Erfindung.
13 und 14 sind schematische Darstellungen der sechsten Ausführungsform, die eine Verbesserung der ersten Ausführungsform der Erfindung ist. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist diese Ausführungsform einen zusätzlichen internen Wärmeaustauscher für Gegenstrom 9 auf, der in dem Unterstromkreis A bereitgestellt ist und in dem Unterstromkreis B Wärme mit dem Kühlmittel mittels einer Verbindung zur Stromringleitung 12 austauscht. Tests, die mit einer Prototyp-Dampfverdichtungseinheit in Kühlmodus durchgeführt wurden, zeigen, dass der Zusatz von einem internen Wärmetauscher zu niedrigerem Energieverbrauch und einer höheren Kühlkapazität bei hoher Kühlkörpertemperatur (hohe Kühllast) führen kann. Der Umkehrprozess wird wie in der ersten Ausführungform durchgeführt.
Siebte Ausführungsform der Erfindung.
Die siebte Ausführungsform der Erfindung wird schematisch in 15 im Wärmemodus bzw. in 16 im Kühlmodus dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Ausführungsform und der ersten Ausführungsform ist das Vorhandensein eines Empfängers/Akkumulators für Mitteldruck 7, der im Unterstromkreis B bereitgestellt wird und eine zweiphasige Expansion von Hochdruckkühlmittel herbeiführt. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die umkehrbare Vorrichtung zur Dampfverdichtung einen Verdichter 1, eine Vorrichtung zur Stromumkehr 4, eine weitere Vorrichtung zur Stromumkehr 5, eine Expansionsvorrichtung 6 und einen äußeren Wärmeaustauscher. Der Umkehrprozess wird, wie vorher dargestellt, durch Verändern der Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt durchgeführt. Diese Ausführungsform verbessert die erste Ausführungsform durch die Einführung eines Empfängers/Akkumulators 7 für mittleren Druck, der eine aktiven Druckseite und die Steuerung der Kühlungs-/Wärmekapazität zum Maximieren der Leistungszahl bzw. Kapazität ermöglicht. Das System wird widerstandsfähiger und wird von einer möglichen Leckage nicht beeinträchtigt, solange ein Bestand an Kühlflüssigkeit in dem Empfänger/Akkumulator 7 für mittleren Druck vorhanden ist.
Achte Ausführungsform der Erfindung.
Die achte Ausführungsform ist eine Verbesserung der vierten Ausführungsform und wird schematisch in 17 im Wärmemodus bzw. 18 im Kühlmodus dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Ausführungsform und der vierten Ausführungsform besteht in dem Vorhandensein eines Empfängers/Akkumulators 7 für mittleren Druck, der im mittleren Zweig B2 des zweiten Unterstromkreises B bereitgestellt wird und zu einer zweiphasigen Expansion von Hochdruckkühlmittel durch die Expansionsvorrichtungen zur Stromableitung 16' bzw. 17' führt. Das System wird widerstandsfähiger und von einer möglichen Leckage nicht beeinträchtigt, solange ein Bestand an Kühlmittelflüssigkeit in dem Empfänger/Akkumulator 7 für mittleren Druck vorhanden ist.
Neunte Ausführungsform der Erfindung.
Die neunte Ausführungsform der Erfindung wird schematisch in 19 im Wärmemodus bzw. in 20 im Kühlmodus dargestellt. Diese Ausführungsform ist die gleiche wie die achte Ausführungsform, außer dass die Stromableitung und die Expansionsfunktion der Vorrichtungen 16' und 17' in zwei separate Ableitungsvorrichtungen 16 und 17 unterteilt ist, und dass zwei Expansionsvorrichtungen 6 und 8 im mittleren Zweig B2 oberhalb bzw. unterhalb des Empfängers/Akkumulators 7 bereitgestellt werden. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst diese einen Verdichter 1, eine Vorrichtung zur Stromumkehr 4, einen inneren Wärmeaustauscher 2, eine Vorrichtung zur Stromableitung 16, eine Expansionsvorrichtung 6, einen Empfänger/Akkumulator 7 von mittlerem Druck, eine Expansionsvorrichtung 8, eine Vorrichtung zur Stromableitung 17 und einen äußeren Wärmeaustauscher. In dieser Ausführungsform wird die Umkehrung des Systems durch das Benutzen einer Vorrichtung zur Stromumkehr 4 erreicht, wobei sich die zwei Vorrichtungen zur Stromableitung 16 und 17 entweder in der Kühl- oder Wärmemodusposition befinden.
Zehnte Ausführungsform der Erfindung.
Die zehnte Ausführungsform wird in 21 für den Wärmemodus bzw. in 22 für den Kühlmodus dargestellt. Im Unterschied zu der siebten Ausführungsform weist diese Ausführungsform einen Zusatz eines internen Wärmeaustauschers für Gegenstrom 9 auf, der im Unterstromkreis A bereitgestellt ist und im Unterstromkreis B Wärme mit Hilfe einer Stromringleitung 12 austauscht, die vor der Expansionsvorrichtung 6 an dem Unterstromkreis B angeschlossen ist. Tests, die mit einer Prototyp-Dampfverdichtungseinheit in Kühlmodus durchgeführt wurden, zeigen, dass das Hinzufügen von einem internen Wärmetauscher zu niedrigerem Energieverbrauch und einer höheren Kühlkapazität bei hoher Kühlkörpertemperatur (hohe Kühllast) führt. Das Betriebsprinzip ist das aus der fünften Ausführungsform, außer, dass das warme Hochdruckkühlmittel nach der Vorrichtung zur Stromumkehr 5 durch den internen Wärmeaustauscher 9 mit dem kalten Niederdruckkühlmittel Wärme nach der Vorrichtung zur Stromumkehr 4 austauscht und vor dem Expandieren durch die Expansionsvorrichtung 6 in den Empfänger/Akkumulator 7 für mittleren Druck geleitet wird. Der Umkehrprozess wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt.
Elfte Ausführungsform der Erfindung.
Die elfte Ausführungsform der Erfindung wird in 23 im Wärmemodus bzw. in 24 im Kühlmodus dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Ausführungsform und der zehnten Ausführungsform besteht in der Anordnung der Hochdruckseite des internen Wärmeaustauschers für Gegenstrom 9. Gemäß der achten Ausführungsform ist die Hochdruckseite des internen Wärmeaustauschers im Unterstromkreis B zwischen der Umkehrvorrichtung 5 und der Expansionsvorrichtung 8 angeordnet, während die Hochdruckseite des internen Wärmeaustauschers 9 in dieser Ausführungsform zwischen der Umkehrvorrichtung 5 und dem äußeren Wärmeaustauscher 3 angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform führt dies dazu, dass der interne Wärmeaustauscher weder im Wärme- noch im Kühlmodusbetrieb „aktiv" ist, da die Temperaturantriebskraft zum Wärmeaustausch sehr eingeschränkt ist.
Zwölfte Ausführungsform der Erfindung.
Diese Ausführungsform wird in 25 für den Wärmemodus bzw. in 26 für den Kühlmodus dargestellt. Diese Ausführungsform ist eine zweiphasige, umkehrbare Vorrichtung zur Dampfverdichtung, wobei der Verdichtungsprozess in zwei Phasen durchgeführt wird, indem Dampf bei mittlerem Druck durch eine Leitung 20 von dem Empfänger/Akkumulator 7 in den Unterstromkreis B abgelassen wird, was eine verbesserte Ausnutzung der Dampfverdichtung zur Folge hat. Zudem gestattet diese Ausführungsform eine bessere Steuerung bei der Wahl des resultierenden mittleren Drucks im Empfänger/Akkumulator 7 für mittleren Druck. Der Verdichter 1 kann eine einzelne, einteilige Einheit mit einem Anschluss für mittlere Ansaugung sein oder zwei separate Verdichter beliebiger Art mit einer ersten und einer zweiten Phase sein. Der Verdichter kann ferner ein Verdichter des Typs „Doppeleffekt-Verdichtung" sein (G.T. Voorhees 1905, Britisches Patent Nr. 4448), wobei der Zylinder des Reziprokverdichters mit einem Anschluss versehen ist, der an oder nahe des unteren Totpunktes des Bolzens nicht frei liegt, wobei Dampf mit mittlerem Druck induziert und dadurch die Kühl- bzw. Wärmekapazität des Systems erhöht wird. Bei der Benutzung eines Verdichters mit „Doppeleffekt" und veränderlicher Ansaugung (Volumenstrom) kann der Anschluss nur bei einer hohen Wärme- bzw. Kühlanforderung freigelegt werden, um die Systemkapazität zu steigern.
Das Betriebsprinzip dieser Ausführungsform ist das aus der ersten Ausführungsform, außer, dass der Verdichtungsprozess in zwei Phasen durchgeführt wird und in dem Empfänger/Akkumulator 7 nach der Expansionsvorrichtung 6 der mittlere Druck durch den Verdichter der zweiten Phase durch die Rohrleitung 12 abgelassen wird. Wenn ein Fertigteil bzw. zwei separate Verdichter benutzt werden, wird der kalte Schnelldampf mit dem Abgas aus der Verdichtung der ersten Phase vermischt und führt so zu einer niedrigeren Gastemperatur zu Beginn der zweiten Phase des Verdichtungsprozesses. Das Ergebnis für die gesamte Verdichtungsarbeit dieser Ausführungsform ist geringer als bei Ausführungsformen mit einphasiger, umkehrbarer, transkritischer Dampfverdichtung und führt zu einer besseren Energieausnutzung im Allgemeinen.
Dreizehnte Ausführungsform der Erfindung.
Die dreizehnte Ausführungsform wird schematisch in 27 und 28 für den Wärmemodus bzw. Kühlmodus dargestellt. Im Vergleich zu der zwölften Ausführungsform weist diese einen zusätzlichen Wärmeaustauscher 10 auf, der eine zusätzliche Kühlkapazität bei mittlerem Druck und Temperatur bereitstellt. Der Wärmeaustauscher 10 kann ein schwerkraft- oder pumpenbetriebener Wärmeaustauscher/Verdampfer sein. Der Wärmeaustauscher 10 kann auch ein einteilig ausgebildeter Teil des Empfängers 7 für mittleren Druck sein. Diese Ausführungsform ist eine Verbesserung der zwölften Ausführungsform, weil sie an Systeme angepasst werden kann, bei der kein Bedarf an der Kühlung/Gefrierung auf zwei Temperaturstufen besteht. Die Klimaanlage für ein hybridbetriebenes oder elektrisch angetriebenes Fahrzeug sollte die Kühlung des Motors und des Innenraums bereitstellen. Die vorliegende Erfindung kann die Kühlung des Innenraums bei Verdampfungsdruck und Verdampfungstemperatur bereitstellen, während die Motorkühlung bei mittlerem Druck und Temperatur bereitgestellt wird. Die von dem Wärmeaustauscher absorbierte Wärme kann ferner als zusätzliche Wärmequelle im Wärmemodus benutzt werden. Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Vierzehnte Ausführungsform der Erfindung.
Die vierzehnte Ausführungsform wird schematisch in 29 und 30 im Wärmemodus bzw. Kühlmodus dargestellt. Diese Ausführungsform ist die gleiche wie die dreizehnte, außer, dass die Anordnung des Wärmeaustauschers 10 nun in dem Unterstromkreis D bereitgestellt wird. Der Unterstromkreis stellt eine zusätzliche Expansionsvorrichtung 20 bereit. Sowohl im Wärme- als auch im Kühlmodus wird ein Teil des Hochdruckkühlmittels durch die Expansionsvorrichtung 20 abgeleitet, wobei der Kühlmitteldruck auf einen mittleren Druck reduziert wird. Das Kühlmittel wird dann durch das Absorbieren von Wärme in der Vorrichtung zum Wärmeaustausch verdampft, bevor es in den Empfänger 7 für mittleren Druck eintritt. Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Fünfzehnte Ausführungsform der Erfindung.
Die elfte Ausführungsform wird schematisch in 31 und 32 im Wärmemodus bzw. Kühlmodus dargestellt. Diese Ausführungsform ist durch eine Zweiphasenverdichtung mit „Zwischenkühlung" gekennzeichnet, die durch Ablassen von heißem Gas durch die Leitung 12' aus dem Verdichter 1' der ersten Phase in den Empfänger/Akkumulator 7 für mittleren Druck erreicht wird. Auf diese Weise wird die Temperatur des Ansauggases des Verdichters 1'' bei einer dem Sättigungsdruck entsprechenden Temperatur im Empfänger/Akkumulator 7 für mittleren Druck gesättigt. Im Vergleich zu den Ausführungsformen mit einer einphasigen Verdichtung ist die gesamte Verdichtungsarbeit geringer und die Energieausnutzung höher. Bei Bedarf ist es zudem möglich, die Überhitzung des Ansauggases in der zweiten Verdichtungsphase durch Leiten eines Teils des heißen Abgases zu steuern, indem es von der ersten Phase direkt in die Ansaugleitung der zweiten Verdichtungsphase geleitet wird, d.h. durch Umgehen des Empfängers/Akkumulators 7 für mittleren Druck. Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Sechzehnte Ausführungsform der Erfindung.
33 und 34 zeigen die sechzehnte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Dampfverdichtung, die im Kühl- bzw. Wärmemodus betrieben wird. Diese Ausführungsform stellt eine zweiphasige, umkehrbare Vorrichtung zur Dampfverdichtung dar, die der fünfzehnten ähnelt, aber einen zusätzlichen internen Wärmeaustauscher für Gegenstrom 9 im Unterstromkreis A bereitstellt und die Wärme mit dem Unterstromkreis B mittels eines einer Stromringleitung 18 austauscht. Der Vorteil des Benutzens eines internen Wärmeaustauschers für Gegenstrom 9 besteht darin, dass die Temperatur von dem Hochdruckkühlmittel vor dem Durchlaufen der Expansionsvorrichtung 6 reduziert wird, was zu einer höheren Kühlkapazität und besseren Energieausnutzung führt. Das Betriebsprinzip für diese Ausführungsform ist das gleiche, wie in der fünfzehnten Ausführungsform, außer, dass das Hochdruckkühlmittel nach der Vorrichtung zur Stromumkehr 5 und vor der Expansionsvorrichtung 6 durch den internen Wärmeaustauscher 9 strömt.
Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Siebzehnte Ausführungsform der Erfindung.
Diese Ausführungsform wird schematisch in 35 und 36 im Wärmemodus bzw. Kühlmodus dargestellt. Diese Ausführungsform ist die gleiche wie die sechste Ausführungsform, außer, dass diese einen zusätzlichen Empfänger/Akkumulator 15 für Niederdruck in dem Unterstromkreis B aufweist. Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 aus dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Achtzehnte Ausführungsform der Erfindung.
Die achtzehnte Ausführungsform wird schematisch in 37 für den Wärmemodus bzw. in 38 für den Kühlmodus dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist das System eine zweiphasige, umkehrbare Vorrichtung zur Dampfverdichtung, wobei der Verdichtungsprozess in zwei Phasen durch „Zwischenkühlung" vorgenommen wird, was zu einer besseren Ausnutzung der Dampfverdichtung und besseren Leistung des gesamten Systems führt. Diese Ausführungsform umfasst in dem Hauptstromkreis einen inneren Wärmeaustauscher 2, einen Unterstromkreis A, der durch die Vorrichtung zur Stromumkehr 4 an den Hauptstromkreis angeschlossen ist und einen Unterstromkreis B, der durch eine zweite Vorrichtung zur Stromumkehr 5 mit dem Hauptstromkreis verbunden ist. Der Unterstromkreis A umfasst einen Verdichter 1, einen Empfänger/Akkumulator 15 für Niederdruck und einen internen Wärmeaustauscher für Gegenstrom 9. Der Unterstromkreis B umfasst eine Expansionsvorrichtung 6. Die Wärme wird zwischen den beiden Unterstromkreisen mittels des internen Wärmeaustauschers 9 ausgetauscht, wobei Kühlmittel aus dem Unterstromkreis B durch die Leitung 12 strömt. Zudem wird ein Wärmeaustauscher zur Zwischenkühlung 14 bereitgestellt. Ein Teil des Kühlmittels wird durch diesen Wärmeaustauscher geleitet und durch den Unterstromkreis B zurückgeführt, wobei ein anderer Teil mittels eines weiteren Unterstromkreises 19 durch die Expansionsvorrichtung 13 dem anderen Strompfad des Wärmeaustauschers zur Zwischenkühlung 14 und in die zweite Phase des Verdichters 1 geleitet wird. Im Vergleich zu der dreizehnten Ausführungsform führt der Zusatz eines Wärmeaustauschers mit Zwischenkühlung 14 zu einer höheren Kühlkapazität und weniger Verdichtungsarbeit.
Der Verdichter 1 kann ein (einziger) Baustein mit mittlerem Ansauganschluss oder zwei separate Verdichter jeglichen Typs mit erster und zweiter Phase sein. Die Umkehrung des Systems wird wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die Position der zwei Vorrichtungen zur Stromumkehr 4 und 5 von dem Wärmemodus in den Kühlmodus und umgekehrt geändert wird.
Ein System zur Dampfverdichtung kann sowohl im Klimaanlagenmodus, zum Kühlbetrieb, oder im Wärmemodus, zum Wärmebetrieb, betrieben werden. Der Betriebsmodus kann durch Umkehren der Richtung des Kühlmittelstroms durch den Stromkreis gewechselt werden.
Im Klimaanlagenbetrieb absorbiert der innere Wärmeaustauscher Wärme durch Verdampfung von Kühlmittel, wobei die Wärme durch den äußeren Wärmeaustauscher abgewiesen wird. Im Wärmebetrieb dient der Wärmeaustauscher als Verdampfer, wobei die Wärme durch den inneren Wärmeaustauscher abgewiesen wird.
Da der innere und der äußere Wärmeaustauscher unterschiedliche Doppelzwecke erfüllen, ist die Gestaltung ein Kompromiss, der weder für den einen noch für den anderen Modus optimal ist. Bei Kohlendioxid als Kühlmittel müssen die Wärmeaustauscher sowohl als Verdampfer als auch als Gaskühler arbeiten, die sehr unterschiedliche Anforderungen an der optimalen Gestaltung aufweisen. Im Gaskühlbetrieb sind ein Wärmeaustauscher des Typs Gegenstrom und ein relativ hoher Kühlmittelmassenfluss wünschenswert. Im Verdampfbetrieb ist ein reduzierter Massenfluss wünschenswert und eine gekreuzte Kühlmittelleitung akzeptabel.
Durch das Benutzen von angemessenen Mitteln (wie z.B. Rückschlagventilen) kann der Kreislauf im Wärmeaustauscher geändert werden, wenn der Betriebsmodus umgekehrt wird. Die Ventile stellen verschiedene Kreisläufe für den Wärmeaustauscher bereit, je nach der Richtung des Kühlmittelflusses. 39 bis 46 zeigen verschiedene Wärmeaustauscher in der Luftstromrichtung mit zwei, drei, vier und sechs Abschnitten im Wärme- bzw. Kühlmodus. Im Wärmebetrieb, wie in 33, 40, 42 und 44 dargestellt, strömt das Kühlmittel in Sequenzen durch die einzelnen vier Abschnitte, in einer gekreuzten Gegenstromart. Andererseits wird das Kühlmittel durch Umkehren des Flusses parallel durch eine und zwei oder zwei und zwei Scheiben geleitet, wobei Luft in die Einlassseite eintritt, wie in 39, 41, 43 and 45 dargestellt. Die Änderung des Flussmodus wird vorzugsweise durch Rückschlagventile erreicht, es können jedoch andere Arten von Ventilen benutzt werden.

Claims

Umkehrbares System zur Dampfverdichtung umfassend, aber nicht beschränkt auf, einen Verdichter (1), einen inneren Wärmeaustauscher (2), eine Expansionsvorrichtung (6) und einen äußeren Wärmeaustauscher (3), die mit Hilfe von Leitungen in einer betriebsbereiten Beziehung stehen, um ein zusammen hängendes System zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der innere und der äußere Wärmeaustauscher im Hauptstromkreis bereitgestellt werden, wobei der Verdichter und die Expansionsvorrichtung in einem Unterstromkreis A bzw. B bereitgestellt werden, und wobei die Unterstromkreise A und B mit dem Hauptstromkreis durch Vorrichtungen zur Stromumkehrung (4) bzw. (5) in Verbindung stehen, um das Umkehren des Systems von dem Kühlungsmodus in den Wärmemodus zu ermöglichen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen zur Stromumkehrung (4) und (5) einteilig in einer Einheit ausgebildet sind und die gleiche Funktion erfüllen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zusätzliche Stromringleitung aufweist, die einen Wärmeaustauscher zur Trocknung (25), eine Expansionsvorrichtung (23) und ein Ventil (24) bereitstellt, und der zwischen der umkehrbaren Vorrichtung (5) und der Expansionsvorrichtung (6) auf der Einlassseite und der umkehrbaren Vorrichtung (4) und der Ansaugseite des Verdichters auf der Auslassseite angeschlossen ist.
System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (25) im Wärmemodus parallel und im Kühlmodus in Reihenschaltung angeschlossen ist, indem mehrere Vorrichtungen zur Stromumkehrung 26 und 26' benutzt werden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterstromkreis (B) drei parallele Zweige (B1, B2, B3) aufweist, die jeweils miteinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung zur Stromumkehrung in Form von zwei Expansionsvorrichtungen zur Stromumleitung (17', 16') vorliegt, welche die äußeren parallel geschalteten Zweige (B1, B3) des Unterstromkreises (B) mit dem einteilig ausgebildeten Hauptstromkreis verbinden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Unterstromkreis (A) mit einem zusätzlichen Wärmeaustauscher (23) hinter dem Verdichter bereitgestellt ist, und dass ein Unterstromkreis (B) mit einem zusätzlichen Wärmeaustauscher (24) vor der Expansionsvorrichtung (6) bereitgestellt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstromkreise, die vor dem Verdichter im Unterstromkreis (A) bzw. vor der Expansionsvorrichtung (6) im Unterstromkreis (B) angeordnet sind, mit einem zusätzlichen internen Wärmeaustauscher (9) bereitgestellt sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterstromkreis (B) mit einem Empfänger/Akkumulator (7) hinter der Expansionsvorrichtung (6), aber vor einer zusätzlichen Expansionsvorrichtung (8) bereitgestellt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsprozess in zwei Phasen stattfindet, wobei der Schnelldampf von dem Empfänger/Akkumulator (7) durch die zweite Phase des Verdichters (1) mittels einer Stromringleitung (12') entzogen wird.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine zusätzliche Kühlkapazität bei mittlerem Druck und Temperatur durch Benutzen eines Wärmeaustauschers (10) bereitstellt.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (10) ein Schwerkraft- oder Pumpenverdampfer ist, der an dem Empfänger/Akkumulator (7) angeschlossen ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (10) in einer Stromringleitung (D) bereitgestellt wird, die eine weitere Expansionsvorrichtung (20) benutzt, wobei der Einlass der Stromringleitung zwischen der Umkehrvorrichtung (5) und der Expansionsvorrichtung (6) angeschlossen ist und der Auslass der Stromringleitung mit dem Empfänger/Akkumulator (7) verbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung mit Hilfe eines Zweistufenverdichters durchgeführt wird.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsprozess ein Vorgang mit zweifacher Ansaugung ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) ein Verdichter mit veränderlicher Ansaugung ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsprozess mit Hilfe von zwei separaten, ersten und zweiten Stufenverdichtern (1, 1') durchgeführt wird.
System nach einem der Ansprüche 9 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas von dem ersten Stufenverdichter (1') durch eine Stromringleitung (12') zu dem Empfänger/Akkumulator (7) geführt wird, bevor es mit Hilfe einer Stromringleitung (12'') durch den zweiten Stufenverdichter von dem Empfänger/Akkumulator (7) abgeführt wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher interner Wärmeaustauscher (9 – siehe 32–33) in dem Unterstromkreis (A) vor dem Verdichter (1) angeordnet ist, der zum Wärmeaustausch durch eine Stromringleitung (18), die vor der Expansionsvorrichtung (6) angeordnet ist, zwischen diesem Stromkreis und dem Unterstromkreis (B) bereitgestellt ist.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Empfänger/Akkumulator (15, siehe 34 und 35) in dem Unterstromkreis (A) vor dem zusätzlichen Wärmeaustauscher (9) bereitgestellt ist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsprozess mit einer Verdichtung in zwei Phasen bzw. Verdichtung mit zweifacher Ansaugung durchgeführt wird.
System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher, zwischengeschalteter Kühlwärmetauscher (14, siehe 36 bis 37) in der Stromringleitung (12) nach dem internen Wärmeaustauscher (9) bereitgestellt ist, wobei ein Teil des Kühlmittels aus der Stromringleitung (12) abgeleitet wird und durch die Niederdruckseite des zwischengeschalteten Kühlwärmetauscher (14) strömt und danach mit Hilfe einer Unterstromringleitung (19) in den Verdichter (1) geleitet wird, wobei der Hauptteil des Kühlmittels zurück in den Unterstromkreis (B) geführt wird.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Akkumulator/Empfänger (7) im mittleren Zweig (B2) bereitgestellt ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Expansionsvorrichtungen zur Stromumleitung (16', 17') gegen zwei Vorrichtungen zur Stromumleitung (16, 17 – siehe 18 und 19) und gegen eine Expansionsvorrichtung (6) ersetzt werden, die im mittleren Zweig (B2) bereitgestellt wird.
System nach einem der Ansprüche 5 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfänger/Akkumulator (7) nach der Expansionsvorrichtung (6) im mittleren Zweig (B2) bereitgestellt ist.
System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Expansionsvorrichtung (8) nach dem Empfänger/Akkumulator (7) bereitgestellt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf transkritisch ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Kohlendioxid ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftauen eines gefrorenen Wärmeaustauschers (Verdampfers) dadurch erreicht wird, dass der Vorgang von Wärmepumpe in den Kühlmodus umgekehrt wird.